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        D2D通信技術(shù)及應(yīng)用場景分析

        2018-09-13 07:40:58徐操喜楊小英甘金海魏鵬耀
        無線互聯(lián)科技 2018年11期
        關(guān)鍵詞:技術(shù)優(yōu)勢應(yīng)用場景

        徐操喜 楊小英 甘金海 魏鵬耀

        摘要:文章在分析D2D通信系統(tǒng)基本架構(gòu)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了如何建立D2D通信的會(huì)話流程,從而建立D2D通信接連;在簡要闡述D2D通信所涉及的關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,對比分析了D2D通信的技術(shù)優(yōu)勢;對D2D通信在5G時(shí)代的典型基本應(yīng)用場景進(jìn)行了詳細(xì)分析,最后對D2D通信在未來5G時(shí)代所扮演的重要角色做了展望。

        關(guān)鍵詞:LTE; D2D通信;技術(shù)優(yōu)勢;應(yīng)用場景

        近年來,隨著多媒體業(yè)務(wù)急劇暴增,移動(dòng)通信技術(shù)高速發(fā)展,4G長期演進(jìn)(Long Term Evolution,LTE)系統(tǒng)已全面鋪設(shè)完成,5G系統(tǒng)已然向我們揮手,未來移動(dòng)通信技術(shù)將進(jìn)一步快速發(fā)展。通信帶寬資源隨著用戶需求的增加越來越緊缺,可以利用的無線信道頻譜道資源,又存在無法滿足業(yè)務(wù)需求的問題。如何提高LTE系統(tǒng)吞吐量、最大化利用現(xiàn)有系統(tǒng)頻譜資源必將成為未來移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展研究方向,設(shè)備到設(shè)備(Device-to-Device,D2D)通信技術(shù)正是為解決這一問題應(yīng)運(yùn)而生。

        1 系統(tǒng)架構(gòu)

        D2D技術(shù)即終端直連傳輸技術(shù),又稱為鄰近服務(wù)(Proximity Service),是指在LET網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制下,允許處在相近位置的終端用戶可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,而不需要通過基站進(jìn)行中轉(zhuǎn)傳輸?shù)男滦图夹g(shù)[1]。

        按照蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍區(qū)分,可以把D2D通信分成3種場景:(1)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的D2D通信,LTE基站首先需要發(fā)現(xiàn)D2D通信設(shè)備,建立邏輯連接,然后控制D2D設(shè)備的資源分配,進(jìn)行資源調(diào)度和干擾管理,用戶可以獲得高質(zhì)量的通信。(2)部分蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的D2D通信,基站只需引導(dǎo)設(shè)備雙方建立連接,而不再進(jìn)行資源調(diào)度,其網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度比第一類D2D通信有大幅降低。(3)完全沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的D2D通信,用戶設(shè)備直接進(jìn)行D2D通信,該場景對應(yīng)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)癱瘓的時(shí)候,用戶可以經(jīng)過多跳,相互通信或者接入網(wǎng)絡(luò)。

        2 會(huì)話建立

        在LTE網(wǎng)絡(luò)中的D2D通信,用戶需滿足諸如距離、對主網(wǎng)絡(luò)的限制干擾等相應(yīng)的條件才能建立D2D通信鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。具體會(huì)話建立過程:首先,LTE網(wǎng)絡(luò)需要通過設(shè)備發(fā)現(xiàn)機(jī)制識別出能夠進(jìn)行D2D通信的用戶終端設(shè)備,目前主要有先驗(yàn)機(jī)制和后驗(yàn)機(jī)制兩種發(fā)現(xiàn)機(jī)制,分別對應(yīng)LTE網(wǎng)絡(luò)控制下的D2D通信與LTE網(wǎng)絡(luò)輔助控制下的D2D通信[2-4]。

        對于LTE網(wǎng)絡(luò)控制下的D2D通信,終端A向移動(dòng)管理節(jié)點(diǎn)(Mobility Management Entity,MME)主動(dòng)發(fā)起會(huì)話請求,MME接收并處理該請求,并分配一個(gè)專用IP地址給終端A;同時(shí),MME檢測終端A、終端B是否在相同或相鄰小區(qū),如果在相同或相鄰小區(qū),則MME要求基站為這兩個(gè)D2D用戶終端設(shè)備建立承載?;痉謩e向終端A和終端B發(fā)送測量請求,檢測通信環(huán)境,并發(fā)回檢測結(jié)果報(bào)告?;靖鶕?jù)檢測結(jié)果判斷是否建立D2D連接,如果可以建立D2D通信鏈路,那么基站就會(huì)給終端A、終端B分配無線資源和設(shè)置相應(yīng)的發(fā)送功率,從而建立D2D通信連接。

        LTE網(wǎng)絡(luò)輔助控制下的D2D通信,兩個(gè)終端通信時(shí)由網(wǎng)關(guān)處理每個(gè)發(fā)送包的IP頭,通過分析它們所在小區(qū),便可判斷雙方是否在同一個(gè)小區(qū)或相鄰小區(qū)覆蓋范圍內(nèi),如果是,則就將其標(biāo)識為可能的D2D通信,然后交給基站檢測能否進(jìn)行D2D通信[2]。具體過程如下所示:(1)用戶終端A發(fā)起會(huì)話請求。(2)媒體網(wǎng)關(guān)檢測用戶IP數(shù)據(jù)包,判斷通信雙方是否在相同或相鄰小區(qū)覆蓋區(qū)域內(nèi)。(3)媒體網(wǎng)關(guān)根據(jù)距離等標(biāo)準(zhǔn),將該終端標(biāo)記為可能的D2D通信。(4)基站向可能的D2D通信終端請求上傳信道測量報(bào)告,決定是否建立D2D連接。(5)如果兩個(gè)終端都具備D2D通信功能且其性能比蜂窩移動(dòng)通信更好,基站則為其建立D2D承載。

        而對于兩個(gè)終端用戶都不在LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍時(shí),分兩種類型:(1)當(dāng)兩個(gè)用戶終端距離較近時(shí),則可直接利用D2D技術(shù)來進(jìn)行通信。(2)兩個(gè)終端用戶距離較遠(yuǎn)時(shí),則必須尋找一個(gè)或多個(gè)用戶作為中繼終端,通過中繼節(jié)點(diǎn),轉(zhuǎn)發(fā)兩個(gè)用戶終端的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)(通過兩段D2D通信實(shí)現(xiàn))或者接入LTE網(wǎng)絡(luò),在LTE基站的協(xié)助下,實(shí)現(xiàn)D2D通信[5-7]。

        3 技術(shù)優(yōu)勢

        D2D通信的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:實(shí)現(xiàn)鄰近D2D終端的檢測及識別的D2D發(fā)現(xiàn)技術(shù)、同步技術(shù)、無線資源管理、功率控制和干擾協(xié)調(diào)、通信模式切換等[8-9]。

        3.1 頻譜利用率顯著提高

        通信鏈路和資源復(fù)用產(chǎn)生的增益都可以將無線頻譜資源的效率大大提高,網(wǎng)絡(luò)吞吐量得到顯著改善。在D2D通信模式下,兩個(gè)終端用戶之間的數(shù)據(jù)無需經(jīng)過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn),直接進(jìn)行傳輸,通信鏈路進(jìn)而產(chǎn)生增益;另外,網(wǎng)絡(luò)存在資源復(fù)用增益,在D2D用戶、D2D與蜂窩間的資源都可以復(fù)用。

        3.2 提升用戶體驗(yàn)

        引入基于鄰近用戶感知的D2D技術(shù),用戶體驗(yàn)大大提升。隨著通信技術(shù)和服務(wù)的發(fā)展,小范圍的社交和商業(yè)活動(dòng)、面向本地特定用戶的特定業(yè)務(wù)以及具有鄰近特性的用戶間近距離的數(shù)據(jù)共享,都成為當(dāng)前及未來無線平臺(tái)效益來源中一個(gè)不可忽視的增長點(diǎn)。

        3.3 擴(kuò)展應(yīng)用范圍

        移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對通信設(shè)備要求較高,核心網(wǎng)或接入網(wǎng)設(shè)備的損壞都可能使得通信系統(tǒng)癱瘓。引入D2D通信,使得在蜂窩通信終端建立Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)成為可能,終端可實(shí)現(xiàn)端到端的通信甚至接入蜂窩網(wǎng)絡(luò),即使通信基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)故障或者存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)時(shí),其應(yīng)用場景得到進(jìn)一步的擴(kuò)展。

        4 5G D2D通信主要應(yīng)用場景

        作為面向5G的關(guān)鍵候選技術(shù),D2D通信固有的技術(shù)優(yōu)勢,受到廣泛關(guān)注。下面對D2D通信在未來5G時(shí)代的潛在應(yīng)用場景作初步分析[10-11]。

        4.1 本地業(yè)務(wù)

        4.1.1社交應(yīng)用

        D2D通信技術(shù)最基本的應(yīng)用場景就是基于鄰近特性的社交應(yīng)用。通過D2D通信功能,可以進(jìn)行如內(nèi)容分享、互動(dòng)游戲等鄰近用戶之間數(shù)據(jù)的傳輸,用戶通過D2D的發(fā)現(xiàn)功能尋找鄰近區(qū)域的感興趣用戶。

        4.1.2 本地?cái)?shù)據(jù)傳輸

        利用D2D的鄰近特性及數(shù)據(jù)直通特性實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)傳輸,在節(jié)省頻譜資源的同時(shí)擴(kuò)展移動(dòng)通信應(yīng)用場景。如基于鄰近特性的本地廣告服務(wù)可向用戶推送商品打折促銷、影院新片預(yù)告等信息,通過精確定位目標(biāo)用戶使得效益最大化。

        4.1.3 蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量卸載

        隨著高清視頻等大流量特性的多媒體業(yè)務(wù)日益增長,給網(wǎng)絡(luò)的核心層和頻譜資源帶來巨大挑戰(zhàn)。利用D2D通信的本地特性開展的本地多媒體業(yè)務(wù),可以大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)核心層及頻譜的資源。例如,運(yùn)營商或內(nèi)容提供商可以在熱點(diǎn)區(qū)域設(shè)置服務(wù)器,將當(dāng)前熱門的媒體業(yè)務(wù)存儲(chǔ)在服務(wù)器中,服務(wù)器以D2D模式向有業(yè)務(wù)需求的用戶提供業(yè)務(wù);用戶也可從鄰近的已獲得該媒體業(yè)務(wù)的用戶終端處獲得所需的媒體內(nèi)容,從而緩解蜂窩網(wǎng)絡(luò)的下行傳輸壓力。另外,近距離用戶之間的蜂窩通信可切換到D2D通信模式以實(shí)現(xiàn)對蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量的卸載。

        4.2 應(yīng)急通信

        D2D通信可以解決極端自然災(zāi)害引起通信基礎(chǔ)設(shè)施損壞導(dǎo)致通信中斷而給救援帶來障礙的問題。在D2D通信模式下,兩個(gè)鄰近的移動(dòng)終端之間仍然能夠建立無線通信,為災(zāi)難救援提供保障。另外,在無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū),用戶通過一跳或多跳D2D通信可以連接到無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶終端,借助該用戶終端連接到無線通信網(wǎng)絡(luò)。

        4.3 物聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)

        根據(jù)業(yè)界預(yù)測,在2020年時(shí)全球范圍內(nèi)將會(huì)存在大約500億部蜂窩接入終端,而其中大部分將是具有物聯(lián)網(wǎng)特征的機(jī)器通信終端。如果D2D通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合,則有可能產(chǎn)生真正意義上的互聯(lián)互通無線通信網(wǎng)絡(luò)。車聯(lián)網(wǎng)中的V2V(Vehicle-to-Vehicle)通信就是典型的物聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)的D2D通信應(yīng)用場景?;诮K端直通的D2D由于在通信時(shí)延、鄰近發(fā)現(xiàn)等方面的特性,使得其應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)車輛安全領(lǐng)域具有先天優(yōu)勢。

        4.4 其他場景

        LTE系統(tǒng)D2D應(yīng)用場景還包括多用戶多輸入多輸出系統(tǒng)(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)增強(qiáng)、協(xié)作中繼、虛擬MIMO等。另外還可協(xié)助解決新的無線通信場景的問題及需求。如室內(nèi)定位,基于傳統(tǒng)衛(wèi)星定位方式的室內(nèi)終端將無法正常工作,通過預(yù)部署的已知位置信息的終端或者位于室外的普通已定位終端,基于D2D的室內(nèi)定位可以準(zhǔn)確確定待定位終端的位置,實(shí)現(xiàn)LTE網(wǎng)絡(luò)中對室內(nèi)定位的支持。

        5 結(jié)語

        本文對LTE網(wǎng)絡(luò)中D2D通信技術(shù)的基本原理和技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行了研究分析,隨著多媒體業(yè)務(wù)需求的不斷多樣化,終端數(shù)量的日益增長,5G時(shí)代的到來,D2D技術(shù)將會(huì)扮演越來越重要的角色,為實(shí)現(xiàn)真正意義上廣泛互聯(lián)互通移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的無線通信發(fā)展愿景提供重要支撐。

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